DE19740263C2

DE19740263C2 - Kachelungsverfahren zum Bauen eines chemischen Arrays

Info

Publication number: DE19740263C2
Application number: DE19740263A
Authority: DE
Inventors: Carol T Schembri
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1996-10-31
Filing date: 1997-09-12
Publication date: 2001-10-11
Anticipated expiration: 2017-09-13
Also published as: DE19740263A1; JP3893201B2; GB2319838A; GB9720959D0; GB2319838B; JPH10185923A; US20040203049A1; US6875620B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum Bilden eines Arrays von bioorganischen Molekularsonden auf einem Träger, und auf ein Array, das durch dieses Verfahren gebildet wird.

Arrays von immobilisierten Sonden werden gegenwärtig zur Verwendung in Untersuchungen entwickelt, um Komponenten in biologischen Proben zu erfassen und zu identifizieren, und um Molekularbibliotheken zu sieben. Die Fähigkeit mehrere Spezies von Molekülen in einem einzigen Untersuchungstest auszusieben, ist besonders wertvoll zwecks der Drogenent deckung und für die klinische Genetik. Daher wurden Array herstellungstechnologien entwickelt, um es zu ermöglichen, daß eine große Anzahl von unterschiedlichen Sonden an ge trennten und bekannten Orten in einem Array enthalten sind (siehe z. B. Fodor u. a., Science 251, 767-773 (1991); Southern u. a., Nucleic Acids Research 22: 1368-1373 (1994); US-Patent Nr. 5,510,270; US-Patent Nr. 5,474,796; US-Patent Nr. 5,429,807; und US-Patent Nr. 5,472,672). Bei diesen bekannten Verfahren werden die Sondenmoleküle an vor bestimmten Orten auf einer festen Trägeroberfläche an Ort und Stelle, d. h. in situ, synthetisch hergestellt.

Es existieren Nachteile, wenn ein Array auf diese Art und Weise gebildet wird, besonders wenn das Array Biopolymere, wie z. B. Oligonukleotide, aufweist. Das In-Situ-Verfahren, das gegenwärtig für die kommerzielle Herstellung von Oligo nukleotid-Arrays verwendet wird, ist nicht für die effizien te Herstellung von Arrays aus Langkettenpolymersonden geeig net, und zwar aufgrund der Anzahl von Verlängerungszyklen, welche benötigt werden, und aufgrund des variablen Wirkungs grads jedes Anfügungsschritts. Um beispielsweise n Spezies von Oligonukleotiden mit m variablen Positionen synthetisch herzustellen, werden n × m Verlängerungszyklen benötigt. Ob wohl Lösungen entwickelt wurden, um die Zeit des Gesamtver fahrens zu verkürzen, indem Gruppen von Stellen für das gleichzeitige Hinzufügen eines gegebenen Nukleotides ge trennt wurden (siehe z. B. Frank u. a., Nucleic Acids Res. 11, 4365-4377 (1983); US-Patent Nr. 5,510,270), ist die Herstellung eines Arrays auf diese Art und Weise ineffi zient, besonders wenn das erwünschte Array Hunderte von un terschiedlichen Sondensequenzen und Sondenlängen von über 300 Nukleotiden enthalten soll. Jeder Anfügungsschritt erfordert eine begrenzte Zeit zur Bildung einer kovalenten Bindung, und jedem ist eine Fehlerrate zwischen 2% und 15% zugeordnet. Die Probleme bei der Sondenreinheit erfordern einen hohen Pegel an Sondenredundanz, wobei ferner Fehler manchmal erst nach der Herstellung des gesamten Arrays entdeckt werden können.

Wenn Reagenzien ferner als Mikrotröpfchen aufgebracht wer den, müssen Vorkehrungen unternommen werden, um eine Mi schung chemischer Moietäten in benachbarten Tröpfchen zu vermeiden, und zwar entweder durch genaues Aufbringen des Tröpfchens an seinem bestimmten Anfügungsplatz, oder durch Bilden einer Struktur von differentiellen Polaritäten auf der Anbringungsoberfläche, um die Tröpfchen mittels der Oberflächenspannung auf ihre bezeichneten Anbringungsregio nen zu begrenzen.

Es wird ein Verfahren zum Bilden eines Arrays mit Sonden be kannter hoher Reinheit benötigt, bei dem die Anbringungsche mie für jede unterschiedliche Sonde in dem Array unabhängig optimiert werden kann, wobei die Dichte jedes Typs der ange brachten Sonde vor dem Arraybilden qualitativ beurteilt wer den kann, wobei Sonden, welche die Spezifikationen nicht er füllen, korrigiert oder entfernt werden können, und zwar vor dem Aufbau des Arrays. Die Anzahl von Gesamtschritten, die erforderlich ist, um den Array zu bilden, soll bei diesem Verfahren im Vergleich zu bekannten Verfahren reduziert wer den.

Die US-A-5,545,531 beschreibt Verfahren zur Herstellung ei ner Vorrichtung zur gleichzeitigen Verarbeitung mehrerer biologischer Proben, wobei ein Array von Proben untersucht wird, das auf einzelnen biologischen Chips angeordnet ist, die auf einer Platte angeordnet sind, die vorgeformte Ver tiefungen in einem Plattenkörper aufweist.

Die US-A-5,143,854 beschreibt die Untersuchung eines Arrays, welches auf einem Substrat dadurch synthetisiert wird, daß eine photoempfindliche Gruppe auf der Oberfläche des Substrats befestigt wird, ausgewählte Bereiche des Substrats belichtet werden, um diese Bereiche zu aktivieren, ein Aminosäuremono mer an der photoempfindlichen Gruppe in dem aktivierten Be reich befestigt wird, und die Aktivierungsschritte und Be festigungsschritte wiederholt werden, bis diese Polypeptide er wünschter Länge und Sequenzen synthetisiert sind. Das sich ergebende Array kann verwendet werden, um zu bestimmen, ob die Peptide auf dem Array einen Rezeptor binden.

Die WO 95/33846 A1 beschreibt einen Bio-Array-Chip, der ei nen Körper mit einem Hohlraum aufweist, in dem ein Substrat befestigt ist, welches mit Probensequenzen an bekannten Or ten versehen ist. Über Einlässe kann ein ausgewähltes Fluid in den Hohlraum eingebracht werden, um mit den Proben in Kontakt zu treten.

Die WO 94/05394 A1 beschreibt ein Verfahren zum Synthetisie ren von Familien von Biopolymeren, die auf einem wiederver wendbaren, räumlich addressierbaren festen Substrat ange ordnet sind.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Bauen eines Arrays chemischer Moietäten, ein Verfahren zum Bauen eines Arrays aus bioorganischen Moleku larsonden und ein Array von zumindest zwei Spezies einer chemischen Moietät zu schaffen, welche effizient und dennoch zuverlässig hergestellt werden können bzw. arbeiten.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, nach Anspruch 10, nach Anspruch 19 oder nach Anspruch 20, und durch ein Array nach Anspruch 11 oder nach Anspruch 26 gelöst.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die gesamte Anzahl von Schritten, welche erforderlich sind, um das Array herzustellen, beim erfindungsgemäßen Verfahren im Vergleich zu bekannten Verfahren verringert wird, und daß die Gesamtanzahl der Tests, die erforderlich sind, um die Qualität der hergestellten Arrays sicherzustellen, gleich der Anzahl von Sonden in dem Array und nicht gleich der An zahl von erzeugten Arrays ist.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Aufbauen eines Arrays von chemischen Moietäten umfaßt das Bilden mehrerer Kacheln, die aus einem im wesentlichen planaren Material bestehen, wobei an jeder Kachel zumindest eine Spezies einer chemi schen Moietät angebracht ist, und das Aufnehmen und Plazie ren jeder Kachel auf stabile Art und Weise auf einem Träger an einem getrennten und eigenen räumlichen Ort, um ein Array von chemischen Moietäten zu bilden. Das durch dieses Verfah ren gebildete Array umfaßt zumindest zwei Spezies einer che mischen Moietät und vorzugsweise etwa 50 bis zu etwa 1.000 Spezies einer chemischen Moietät. Die chemischen Moietäten sind vorzugsweise bioorganische Molekularsonden, und am be vorzugtesten Nukleinsäuren, Proteine, Polysaccharide und Lipide.

Ein Ziel dieser Erfindung besteht darin, die Geschwindigkeit und Reproduzierbarkeit des Arrayherstellungsverfahrens zu erhöhen, indem vorher synthetisch hergestellte Sonden an diskreten physischen Entitäten angebracht werden können, welche robotisch bewegt werden können, um vorbestimmte Positionen auf einem Träger zu trennen, um das Array herzustel len. Der Anbringungsschritt wird vorzugsweise auf stapelar tige Weise ausgeführt, um die Verbindungschemie und die An bringungsdichte jedes Typs der Sonde in einem Array unabhän gig von dem Zusammenbau des Arrays zu optimieren.

Ein dazu verwandtes Ziel besteht darin, eine Einrichtung zum Optimieren der Verbindungschemie und der Anbringungsdichte jedes Sondentyps in dem Array unabhängig von dem Zusammenbau des Arrays zu optimieren.

Noch ein weiteres Ziel dieser Erfindung besteht darin, die Qualitätssteuerungsprozedur zu rationalisieren, und die Ko sten zum Herstellen eines Arrays mit einem hohen Grad an chemischer Komplexität zu verringern. Die Reinheit der Syn these jedes Sondentyps in dem Array und die Dichte der Befe stigung desselben können vor dem Kacheln des Arrays verifi ziert werden. Die gesamte Oberfläche einer eigenen physi schen Entität kann vor dem Unterteilen derselben in Hundert tausende von Kacheln zum Plazieren in Hunderttausenden von Arrays getestet werden, wodurch die frühe Erfassung und Kor rektur von Herstellungsproblemen möglich wird.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich nungen detaillierter erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 auf schematische Art und Weise die Schritte, die bei dem Verfahren zum Bilden eines Arrays dieser Erfindung vorhanden sind; und

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des Arrays, bei dem die Kacheln auf einer Trägeroberfläche zylindrisch an geordnet sind.

Vor der detaillierten Beschreibung der Erfindung sei darauf hingewiesen, daß diese Erfindung nicht auf spezielle Komponententeile oder Verfahrensschritte der beschriebenen Ver fahren begrenzt ist, da Teile und Verfahren variieren kön nen. Es sei ebenfalls darauf hingewiesen, daß die hierin verwendete Terminologie nur zur Beschreibung von speziellen Ausführungsbeispielen dient, und daß sie nicht begrenzend sein sollte. Bezüglich der Verwendung in der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen umfassen die Singularformen "ein" und "der, die, das" Pluralbegriffe, es sei denn, daß der Kontext deutlich etwas anderes zeigt.

In dieser Beschreibung und den folgenden Ansprüchen wird eine Anzahl von Begriffen verwendet, welche nachfolgend de finiert sind.

Ein "Array" ist eine Anordnung von Objekten in einem Raum, wobei jedes Objekt eine getrennte vorbestimmte räumliche Po sition einnimmt. Jedes der Objekte in dem Array dieser Er findung umfaßt eine oder mehrere Spezies einer chemischen Moietät, die an einer "eigenen physischen Entität" ange bracht ist, derart, daß der physische Ort jeder Spezies be kannt ist oder feststellbar ist. Eine "eigene physische En tität" ist eine Einheit aus im wesentlichen planarem Mate rial (z. B. einem festen Material, einer Membran, einem Gel oder einer Kombination der Materialien), die gehandhabt wer den können, und die doch ihre Identität bewahren, und die in "Kacheln" unterteilt werden können, um auf verschiedene Ar ten und Weisen neu kombiniert zu werden, um ein physisches Array zu bilden. Vorzugsweise werden die Kacheln regelmäßige geometrische Formen haben, wie z. B. einen Sektor eines Kreises, ein Rechteck und dergleichen, wobei radiale oder lineare Abmessungen im Bereich von etwa 100 µm bis zu etwa 10 mm reichen und vorzugsweise im Bereich von etwa 250 µm bis zu etwa 1.000 µm liegen. Die Unterteilung der Entität in Kacheln kann entweder vor oder nach Anbringung der chemi schen Moietät und durch irgendein geeignetes Verfahren zum Schneiden der Entität, z. B. mit einer Chipzerteilungssäge, erfolgen. Diese Verfahren sind bei der Halbleiterchipher stellung bekannt und können durch Fachleute für das spezielle Material, das zur Verwendung bei dieser Erfindung ausge wählt wird, optimiert werden.

Ein "Träger" ist eine Oberfläche oder Struktur für die An bringung von Kacheln. Der "Träger" kann jede erwünschte Farm und Größe haben, und derselbe kann aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden. Das Trägermaterial kann für eine Biokompatibilität behandelt werden (d. h. um biologi sche Proben und Sonden vor unerwünschten Struktur- oder Ak tivitätsänderungen beim Kontakt mit der Trägeroberfläche zu schützen), und um eine nicht-spezifische Bindung biologi scher Materialien an dem Träger zu reduzieren. Diese Verfah ren sind in der Technik bekannt (siehe z. B. Schöneich u. a., Anal. Chem. 65: 67-84R (1993)). Die Kacheln können an dem Träger mittels eines Klebstoffs, durch Einführen in eine Tasche oder in einen Kanal, der in dem Träger gebildet ist, oder durch irgendeine andere Einrichtung, die eine stabile und sichere räumliche Anordnung schaffen wird, angebracht werden.

"Kacheln" ist das Verfahren zum Bilden eines Arrays durch Nehmen und Plazieren einzelner Kacheln, die einzelne oder mehrere Spezies chemischer Moietäten umfassen, auf einem Träger in einer festen Raumstruktur oder einem festen Raum muster.

Eine "chemische Moietät" ist ein organisches oder anorgani sches Molekül, das zum Zeitpunkt der Anbringung an einer diskreten physischen Moietät vorgeformt ist, im Unterschied zu einem organischen Molekül, das in Situ auf einer Array oberfläche synthetisch hergestellt wird. Die bevorzugte Art und Weise zum Anbringen besteht in einer kovalenten Bindung, obwohl auch nicht-kovalente Anbringungseinrichtungen oder eine Immobilisierung abhängig von dem speziellen Typ der chemischen Moietät, die verwendet wird, geeignet sein kön nen. Wenn es erwünscht ist, kann eine "chemische Moietät" kovalent modifiziert werden, indem Gruppen hinzugefügt oder entfernt werden, nachdem die Moietät auf einer physisch eigenen Entität angebracht worden ist.

Die chemischen Moietäten dieser Erfindung sind vorzugsweise "bioorganische Moleküle" von natürlichem oder synthetischem Ursprung, dieselben können durch chemische, biochemische oder molekularbiologische Verfahren synthetisch hergestellt oder dupliziert werden, und dieselben können mit biologi schen Systemen, z. B. Zellenrezeptoren, Immunsystemkomponen ten, Wachstumsfaktoren, Komponenten der extrazellularen Matrix, DNA und RNA und dergleichen interagieren. Die bevor zugten bioorganischen Moleküle zur Verwendung in den Arrays dieser Erfindung sind "Molekularsonden", die von Nukleinsäu ren (oder Teilen derselben), Proteinen (oder Teilen dersel ben), Polysacchariden (oder Teilen derselben) und Lipiden (oder Teilen derselben), beispielsweise Oligonukleotiden, Peptiden, Oligosacchariden oder Lipidgruppen ausgewählt sind, die bei der Molekularerkennung und einer affinitätsba sierten Bindungsuntersuchung (z. B. Antigen-Antikörper, Re zeptor-Ligand, Nukleinsäure-Protein, Nukleinsäure-Nuklein säure, und dergleichen) verwendet werden können. Ein Array kann unterschiedliche Familien von bioorganischen Molekülen, z. B. Proteinen und Nukleinsäuren, enthalten, dasselbe wird jedoch typischerweise zwei oder mehrere Spezies derselben Molekülfamilie enthalten, z. B. zwei oder mehr Sequenzen von Oligonukleotiden, zwei oder mehr Proteinantigene, zwei oder mehrere chemisch getrennte kleine organische Moleküle und dergleichen. Ein Array kann aus zwei Molekülspezies gebildet werden, obwohl es bevorzugt ist, daß das Array mehrere zehn bis zu Tausenden von Spezies von Molekülen umfaßt, und zwar vorzugsweise von etwa 50 bis zu etwa 1.000 Spezies. Jede Spezies kann natürlich in vielen Kopien vorhanden sein, wenn es erwünscht ist.

Ein "Analyt" ist ein Molekül, dessen Erfassung erwünscht ist, und das sich selektiv oder spezifisch an eine Moleku larsonde bindet. Ein Analyt kann derselbe oder ein unter schiedlicher Molekültyp sein, wie es auch für die Molekül sonde gilt, an die sich dasselbe bindet.

Die Schritte beim Aufbauen eines Arrays durch das Verfahren dieser Erfindung sind in Fig. 1 diagrammäßig dargestellt.

Eine im wesentlichen planare "eigene physische Entität" (Schritt a, 1) wird mit chemisch reaktiven Gruppen (Schritt b, 3) derivatisiert. Diese Gruppen sind an Verbinder- oder Linker-Molekülen (Schritt c, 5) kovalent angebracht. Natür lich kann einer oder diese beiden Schritte umgangen werden, wenn geeignete Funktionalgruppen und/oder Verbinder in den zur Verwendung ausgewählten Materialien inhärent vorhanden sind. Die Verbinder dienen als Anbringungsstellen für che mische Moietäten. Die Verbinder werden in Kontakt mit einer Lösung oder mit Tröpfchen chemischer Moietäten gebracht. Nachdem das Binden zwischen den Bindern und den chemischen Moietäten stattgefunden hat, werden nicht-reagierte Moie täten durch Abwaschen entfernt. Nicht-reagierte Binder wer den behandelt, um sie chemisch inert bei aufeinanderfol genden Arrayherstellungsschritten zu machen, und um ihre Fähigkeit zu minimieren, daß sie mit Analyten während auf einanderfolgenden Untersuchungsverfahren interagieren. Diese Behandlung wird allgemein in dieser Anmeldung als "Abdecken" bezeichnet. Somit kann beispielsweise eine reaktive Aldehyd- oder Isothiocyanant-Gruppe mit einem Amin oder mit Ammoniak abgedeckt werden, eine reaktive Epoxydgruppe kann mit einer sauren Lösung in ein Diol umgewandelt werden, usw. In einem Schritt (d) ist gezeigt, daß alle Binder an derselben Spe zies einer chemischen Moietät (7) angebracht sind. Es sollte jedoch offensichtlich sein, daß mehr als eine Spezies einer chemischen Moietät mit einer speziellen Entität gebunden werden kann, je nachdem, wie es erwünscht ist. Das Material wird in einzelne Kacheln unterteilt (Schritt (e), 9). Die Unterteilung kann vor oder nach dem Schritt (b) stattfinden. In einem Schritt (f) werden Kacheln, die die gleiche oder unterschiedliche Spezies einer chemischen Moietät (allgemein bei 11 gezeigt) aufweisen, auf einem Träger (13) angeordnet, um ein Array zu bilden. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Fig. 2 gezeigt ist, sind die Kacheln (20) auf einem Träger (22) zylindrisch angeordnet. Der Träger kann ein fester Stab sein, an dessen Umfang Kacheln angeord net sind, wie es hier gezeigt ist. Der Träger kann auch eine röhrenförmige Struktur sein, wobei die Kacheln auf der Außenoberfläche oder auf der Innenoberfläche der Röhre oder zwischen der Außen- und der Innenoberfläche angeordnet sind, wenn diese voneinander beabstandet sind. Weitere Variationen dieser Form sollen innerhalb des Bereichs dieser Erfindung sein.

Jedes Material kann als diskrete physische Entität verwendet werden, vorausgesetzt, daß es in der Lage ist, eine Unter teilung in Kacheln zu erlauben, daß es mit der Chemie, die zur Befestigung der chemischen Moietäten an der Oberfläche ausgewählt wird, kompatibel ist, und daß es mit dem Erfas sungsverfahren der Untersuchung, in der das Array verwendet werden soll, optisch kompatibel ist. Beispiele geeigneter Materialien umfassen, jedoch ohne Begrenzung, Glas, Silizium und Kunststoff.

Ein Routineverfahren zum Derivatisieren einer Glas- oder Si liziumoberfläche zur Anbringung von Bindern besteht in dem Bilden von Siloxanverbindungen, und zwar unter Verwendung von Organosilanen, wie z. B. 3-Glycidoxypropyl-Trimethoxy silan ("GOPS"), 3-Aminopropyltriethoxysilan (APS) und der gleichen, deren chemische Eigenschaften bekannt sind. Das Bindermolekül kann eine bifunktionale Reagenz sein, die sich auf kovalente Art und Weise an die Oberfläche einer Gruppe und die chemische Moietät an die andere bindet. Alternativ kann der Verbinder eine Reagenz sein, die kovalent an der Oberfläche gebunden ist (z. B. Streptavidin), und an dem in teressierenden Molekül durch eine nicht-kovalente Interak tion mit hoher Affinität (z. B. Biotin). Verfahren zum kova lenten Binden chemischer Moietäten an verschiedene Materia lien zur Verwendung bei Affinitätsreinigungsprozeduren sind bekannt. Siehe im allgemeinen in Affinity Techniques. Enzyme Purification: Part B. Methods in Enzymology, Bd. 34, Hrsg. W. B. Jakoby, M. Wilchek, Acad. Press, NY (1974) und Immobilized Biochemicals and Affinity Chromatography, Advances in Experimental Medicine and Biology, Bd. 42, Hrsg. R. Dunlap, Plenum Press, NY (1974). Die kovalente Anbringung von Oligo nukleotiden an festen Trägern zur Verwendung bei Hybridisie rungsuntersuchungen ist in Ghosh & Musso, Nuc. Acids Res. 15: 5353-5372 (1987) und Eggers u. a., Bio Techniques 17: 516-524 (1994) beschrieben. Natürlich müssen die ange brachten chemischen Moietäten in der Lage sein, frei mit Analyten in Bindungsuntersuchungen zu interagieren (z. B. ein angebrachtes Oligonukleotid muß in der Lage sein, frei an eine komplementäre Nukleinsäure zu hybridisieren, oder sich frei an ein sequenzspezifisches Protein zu binden, ein Antigen muß in der Lage sein, mit einem Antikörper zu inter agieren, usw.).

Die chemischen Moietäten, die bei den Arrays dieser Erfin dung verwendet werden sollen, sind bioorganische Moleküle, wie sie oben definiert wurden, mit Molekulargewichten in dem Bereich von etwa mehreren hundert Dalton bis zu etwa mehre ren hundert Kilodalton. Die Dichte von Molekülen, die an ei ne einzige physisch eigene Entität angebracht sind, soll in dem Bereich von etwa 1.000 bis zu etwa 100.000 Molekülen pro Quadratmikrometer Oberfläche sein. Verschiedene Verfahren können verwendet werden, um die Dichte von Molekülen auf Monolagen-Oberflächen zu messen. Die chemische Moietät kann beispielsweise mit einer hydrolisierbaren Gruppe versehen werden, die gespalten und gemessen wird, nachdem die Moietät an der Oberfläche angebracht ist, oder die chemische Moietät kann Etiketten oder Labels enthalten, die durch spektrome trische oder mikroskopische Techniken direkt meßbar sind. Diese Techniken und Messungen sind für Fachleute bekannt.

Die chemischen Moietäten sind in einer Lösung enthalten, die auf die Anbringungsoberfläche der Entität in der Form von Tröpfchen (siehe beispielsweise EP 0268237 als Beispiel für eine Vorrichtung, die zum Aufbringen und Drucken von Reagen zien geeignet ist) geliefert werden, oder die Lösung kann vorzugsweise in Kontakt mit der Oberfläche gehalten werden.

Es ist beabsichtigt, daß bestimmte der Arrays, die durch das Verfahren dieser Erfindung gebildet werden, mehrere Arrays von chemischen Moietäten aufweisen werden, die auf verschie dene Arten und Weisen gebildet werden können. Ein Array kann beispielsweise auf eine Kachel zur Plazierung in einem geka chelten Array gedruckt werden. Alternativ können mehrere Streifen von chemischen Moietäten, wobei jeder Streifen eine einzigartige Spezies einer chemischen Moietät enthält, auf einer eigenen physischen Entität aufgebracht werden, und die Entität kann in mehrere Kacheln geteilt werden, die jede der Spezies an einer bekannten Position auf den Kacheln enthal ten.

Wie es oben angemerkt wurde, können die Kacheln auf irgend eine beliebige Art und Weise gebildet werden, die geeignet ist, um das Material zu unterteilen. Typischerweise wird das Material mit einer kommerziellen Chipzerteilungssäge auf die folgende Art und Weise zerteilt. Das Material wird auf einem Dünnfilmhaftträger zur Befestigung an einer Unterdruckspann vorrichtung plaziert. Das Zerteilungsgerät ist mit Informa tionen über die Gestalt des zu schneidenden Materials, über die erwünschte Schneidetiefe und über die Geschwindigkeit der Bewegung der Unterdruckspannvorrichtung zu der Klinge hin (unter der Annahme, daß die Position der Klinge fest ist) programmiert. Das Material wird in einer ersten Rich tung mit einer Metall- oder Diamant-versehenen Klinge ge schnitten, die sich bei einer Geschwindigkeit von etwa 20.000 Umdrehungen pro Minute dreht. Schneideabfälle, die durch das Schneiden erzeugt werden, können von der geschnit tenen Oberfläche mit einem Strahl aus Luft, Gas oder Flüs sigkeit weggerichtet werden. Das Material wird dann über ei nen erwünschten Winkel gedreht, wonach das Schneiden in ei ner zweiten Richtung fortgesetzt wird, bis die Bildung der Kacheln vollendet ist.

Das Array wird geformt, indem die Kacheln von dem Dünnfilm haftträger (siehe oben) auf einen Träger in einer stabilen vorbestimmten räumlichen Anordnung übertragen werden. Die Übertragung (die in dieser Anmeldung als "Aufnehmen und Pla zieren" bezeichnet wird) kann mit Verfahren durchgeführt werden, die bei der Herstellung von integrierten Schaltungen und LEDs bekannt sind (siehe beispielsweise U.S.-Patent Nr. 5,256,792). Das folgende automatisierte Verfahren ist ein Beispiel für ein Roboterverfahren, das verwendet worden ist, um Kacheln, die Oligonukleotide und Proteine umfassen, eine zu einem Zeitpunkt auf einem Träger in einer stabilen räum lichen Anordnung aufzunehmen und zu plazieren. Eine einzelne Kachel, die auf einem Haftträger innerhalb eines x-y-Gitters liegt, wurde mit Hilfe einer Kamera positioniert. Die Kachel wurde von der Unterseite ihres Haftträgers mit einer Nadel entnommen, mit einer Vakuumsonde aufgenommen, mit der Kamera noch einmal untersucht, mit einem x-y-Planarmotor zu einer vorbestimmten Position auf einem Träger bewegt und in einen Halter in dem Träger eingefügt. Vorzugsweise sind die Ka cheln in einem kreisförmigen Muster angeordnet und werden durch Rillenkanäle, die innerhalb des Trägers gebildet sind, und nicht durch einen Haftstoff an ihrem richtigen Platz gehalten. Die Techniken zum Bilden von Mikrostrukturen, wie z. B. Taschen, Rillen oder Kanäle, um Kacheln an einem Träger anzubringen, sind in der Mikrotechnologie bekannt.

Die Arrays, die durch das oben beschriebene Verfahren gebil det werden, sollen in einer molekularerkennungsbasierten Un tersuchung verwendet werden, bei der eine Probe, die ein Analyt enthält, dessen Erfassung erwünscht ist, in Kontakt mit einem Array von Molekülen bekannter Struktur oder Akti vität gebracht wird, die an vorbestimmten räumlichen Posi tionen auf einem Träger positioniert sind. Das Analyt wird durch ein Arraymolekül erkannt und bindet sich selektiv an dasselbe. Die Bindung ist von ausreichend hoher Affinität, um es zu ermöglichen, daß das Analyt durch das Arraymolekül gehalten wird, bis eine Erfassung des Analyts durchgeführt worden ist. Die selektive Erkennung könnte auf einer unter scheidenden physiochemischen Charakteristik des Analyts (z. B. einem Bereich mit einer speziellen Ladungsverteilung oder Polarität, welche durch ein Arraymolekül erkennbar sind), oder auf einem spezifischen chemischen Merkmal des Analyts (z. B. eine spezifische Primärsequenz in einer Nukleinsäure, einem Protein oder einem Polysaccharid, einer sekundären oder höherwertigen Angleichungsstruktur, oder einer spezifi schen chemischen Gruppe oder Kombination von Gruppen, um ei ne aktive Stelle zu bilden) basiert sein. Es sei ins Auge gefaßt, daß die durch das Verfahren dieser Erfindung gebil deten Arrays nützlich sein werden, um chemische oder moleku larbiologische Bibliotheken nach neuen therapeutischen Mit teln zu durchsieben, um Liganden für bekannte biologische Rezeptoren und neue Rezeptoren für bekannte Liganden zu identifizieren, um die ausgedrückten Gene zu identifizieren, um genetische Polymorphismen zu charakterisieren, um die menschliche Populationen für diagnostische und therapeuti sche Zwecke bezüglich ihres Genotyps darzustellen, und für viele weitere Verwendungen.

Beim Verwenden eines Arrays, das gemäß dem Verfahren dieser Erfindung gebildet ist, kann die Identität einer chemischen Moietät, die an ein Analyt an irgendeiner speziellen Stelle in dem Array gebunden ist, bestimmt werden, indem der Ort des Analyts erfaßt wird, und indem dieser mit einer Datei verbunden wird, die sich auf das Array bezieht, d. h. mit der Etikettendatei. Diese Etikettendatei ist eine Datei von Informationen, in der die Identität und Position jeder che mischen Moietät in dem Array, das sich auf die Datei be zieht, gespeichert ist. Es existieren verschiedene Verfahren zum Verbinden dieser Etikettendatei mit dem physischen Ar ray. Die Etikettendatei könnte beispielsweise auf dem Array oder auf dem Gehäuse desselben mittels eines Siliziumchips, eines Magnetstreifens oder eines Strichcodes codiert sein. Alternativ könnten die Informationen, die das Array zu einer speziellen Etikettendatei identifizieren, in einem Array oder seinem Gehäuse enthalten sein, wobei die tatsächliche Datei in dem Datenanalysegerät oder in einem Computer, der mit dem Gerät kommuniziert, gespeichert ist. Die Verbindung der Etikettendatei mit dem physischen Array würde zum Zeit punkt der Datenanalyse stattfinden. Eine andere Art und Weise zum Durchführen würde darin bestehen, die Etikettendatei in einem Gerät, wie z. B. einer Platte oder Karte, zu spei chern, die in das Datenanalysegerät vom Benutzer des Arrays zum Zeitpunkt, zu dem das Array in der Untersuchung verwen det wird, eingeführt werden kann.

Es sollte offensichtlich sein, daß die obige Beschreibung und die Beispiele die Erfindung darstellen sollen und Fach leute mit einer vollständigen Lehre und Beschreibung verse hen, wie sie das Verfahren der Erfindung zu verwenden haben. Das Verfahren zum Bilden des Arrays kann auf viele Arten und Weisen variiert werden, welche eine Veränderung der Reihen folge, in der die Schritte ausgeführt werden, der Auswahl der verwendeten Materialien, der Geometrie des Arrays, der Größe und Gestalt der Kacheln, der Verfahren zum Bilden ei gener physischer Entitäten, die chemische Moietäten aufwei sen, und zum Unterteilen dieser in Kacheln, und des Verfah rens des Aufnehmens, Plazierens und Immobilisierens von Ka cheln auf einer Trägeroberfläche umfassen.

Claims

1. Verfahren zum Bauen eines Arrays chemischer Moietäten (11) mit folgenden Schritten:

a) Bilden einer Mehrzahl von Kacheln (9), wobei die Kacheln (9) eine im wesentlichen planare diskrete physische Entität (1) aufweisen, an der eine oder mehrere Spezies chemischer Moietäten (11) ange bracht sind; und
b) Aufnehmen und Plazieren der Kacheln (9) auf stabi le Art und Weise auf einem Träger (13) an räumlich eigenen feststellbaren Orten, um ein Array von chemischen Moietäten (11) zu bilden, wobei das ge bildete Array zumindest zwei Spezies einer chemi schen Moietät (11) aufweist,

wobei die chemischen Moietäten in dem Array bioorgani sche Molekularsonden umfassen, die in einer Lösung ent halten sind, wobei die Lösung als Tröpfchen an vorbe stimmten Orten auf der eigenen physischen Entität (1) für die Anbringung der chemischen Moietäten (11) an derselben aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Kacheln (9) ei nen Festkörper, ein Gel, eine Membran oder eine Kombi nation dieser Materialien aufweisen, wobei die Kacheln (9) mit einer Einrichtung (5) zum Anbringen einer che mischen Moietät an denselben angepaßt sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Kacheln (9) gleichmäßig geformt sind und lineare oder radiale Ab messungen in dem Bereich von etwa 100 µm bis zu etwa 10 mm aufweisen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Kacheln (9) sta bil auf einem Träger (13) durch Einführen in eine Ta sche, die in demselben gebildet ist, plaziert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Kacheln (9) auf einem Träger (13) mittels eines Haftstoffs plaziert sind.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Lösung in Kon takt mit der diskreten physischen Entität (1) für die Anbringung der chemischen Moietäten (11) an derselben plaziert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die bioorganischen Molekularsonden aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Nukleinsäuren oder Abschnitten derselben, aus Proteinen oder Abschnitten derselben, aus Polysacchariden oder Abschnitten derselben und aus Lipiden oder Abschnitten derselben besteht.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Array von etwa 50 bis zu etwa 1.000 Spezies von Sonden umfaßt, wobei die Sonden an den Entitäten (1) in einer Dichte von et wa 1.000 bis zu etwa 100.000 Sonden pro Quadratmikro meter angebracht sind.

9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die bioorganischen Moleküle Nukleinsäuren und Proteine sind.

10. Verfahren zum Bauen eines Arrays aus bioorganischen Molekularsonden zur Verwendung in einer Bindungsunter suchung, wobei das Verfahren folgende Schritte auf weist:

a) Bereitstellen einer Vielzahl von eigenen physi schen Entitäten (1), die ein im wesentlichen planares unterteilbares Material aufweisen und mit Stellen (3) für die kovalente Anbringung einer bioorganischen Molekularsonde an denselben verse hen sind;
b) Kontaktieren des Materials mit einer Molekularson de eine ausreichende Zeit lang, um die Sonde an dem Material anzubringen, wobei die Molekularsonde in einer Lösung enthalten ist, wobei die Lösung als Tröpfchen an einem vorbestimmten Ort auf der eigenen physischen Entität (1) aufgebracht wird;
c) Entfernen nicht-reagierter Sondenmoleküle und Ab decken nicht-reagierter Anbringungsstellen;
d) Unterteilen des Materials in gleichmäßig geformte Kacheln (9) mit linearen oder radialen Abmessungen von etwa 250 µm bis zu etwa 1.000 µm; und
e) Aufnehmen und Plazieren der Kacheln (9) auf stabi le Art und Weise auf einem Träger (13) an einer getrennten und eigenen räumlichen Position, wo durch ein Array von Molekularsonden gebildet wird, wobei das Array von etwa 50 bis zu etwa 1.000 Spe zies von Sonden aufweist.

11. Array mit zumindest zwei Spezies einer chemischen Moie tät (11), das durch das Verfahren nach Anspruch 1 ge bildet ist, mit folgenden Merkmalen:

a) einem Träger (13); und
b) einer Vielzahl von Kacheln (9), wobei die Kacheln (9) eine im wesentlichen planare eigene physische Entität (1) aufweisen, an der eine oder mehrere Spezies einer chemischen Moietät (11) an räumlich getrennten feststellbaren Positionen angebracht ist bzw. sind.

12. Array gemäß Anspruch 11, das ferner eine Einrichtung zum Codieren der räumlichen Position und Identität je der chemischen Moietät in dem Array aufweist.

13. Array gemäß Anspruch 11 oder 12, bei dem die chemische Moietät (11) eine bioorganische Molekularsonde auf weist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Nu kleinsäuren oder Abschnitten derselben, aus Proteinen oder Abschnitten derselben, aus Polysacchariden oder Abschnitten derselben und aus Lipiden oder Abschnitten derselben besteht.

14. Array gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem die eigenen physischen Entitäten (1) gleichmäßig geformte Kacheln (9) mit linearen oder radialen Abmessungen in dem Bereich von etwa 100 µm auf einer Seite bis zu etwa 10 mm auf einer Seite aufweisen.

15. Array gemäß Anspruch 14, bei dem die eigenen physischen Entitäten (1) in einem spiralförmigen oder kreisförmi gen Muster auf dem Träger (13) angeordnet sind.

16. Array gemäß Anspruch 15, bei dem die eigenen physischen Entitäten (1) in einem rechteckigen Muster auf dem Trä ger (13) angeordnet sind.

17. Array gemäß Anspruch 14, bei dem die eigenen physischen Entitäten (1) eine zylindrische Anordnung auf dem Trä ger (13) aufweisen.

18. Array gemäß Anspruch 14, bei dem eine oder mehrere der eigenen physischen Entitäten (1) aus einem Array von bioorganischen Molekularsonden besteht.

19. Verfahren zum Bauen eines Arrays chemischer Moietäten (11) mit folgenden Schritten:

a) Bilden einer Mehrzahl von Kacheln (9), wobei die Kacheln (9) eine im wesentlichen planare diskrete physische Entität (1) aufweisen, an der eine oder mehrere Spezies chemischer Moietäten (11) ange bracht sind;
b) Aufnehmen und Plazieren der Kacheln (9) auf sta bile Art und Weise auf einem Träger (13), an räum lich eigenen feststellbaren Orten, um ein Array von chemischen Moietäten (11) zu bilden, wobei das gebildete Array zumindest zwei Spezies einer che mischen Moietät (11) aufweist;
c) Codieren der räumlichen Position und Identität der chemischen Moietäten in dem Array.

20. Verfahren zum Bauen eines chemischen Arrays, das eine Mehrzahl von Spezies von bioorganischen Molekülen in einer vorbestimmten Anordnung umfaßt, wobei das Ver fahren folgende Schritte aufweist:

a) Bereitstellen von Einheiten aus einem im wesent lichen planaren, festen Material, wobei jede Ein heit eine Befestigungsoberfläche aufweist;
b) Befestigen unterschiedlicher Spezien von bioorgan ischen Molekülen auf jeweiligen Befestigungsober flächen;
c) Unterteilen jeder Einheit aus im wesentlichen pla naren Material, um eine Mehrzahl von getrennten Kacheln zu bilden, wobei eine Oberfläche jeder der getrennten Kacheln einen Teil der Befestigungsober fläche umfaßt; und
d) Befestigen der getrennten Kacheln aus der Mehrzahl von Kacheln in vorbestimmten räumlichen Positionen auf einem Träger, um das Array zu erhalten.

21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem der Unterteilungs schritt (c) vor dem Befestigungsschritt (b) ausgeführt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, das vor dem Befesti gungsschritt (b), ferner den Schritt des Vorbereitens der Befestigungsoberfläche umfaßt.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, bei dem das Material ein festes, nicht-poröses Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Glas, Silizium und Kunststoff umfaßt.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, bei dem die getrennten Kacheln gleichmäßig geformt sind, und bei dem die Oberfläche jeder Kachel eine längste Abmessung von etwa 100 µm bis etwa 1 mm hat.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, bei dem bei jeder der Einheiten aus Material mit einer Befesti gungsoberfläche zumindest eine zusätzliche Spezies eines bioorganischen Moleküls auf der Befestigungsoberfläche befestigt wird.

26. Ein Array oder ein Gehäuse für ein Array, welches eine Einrichtung zum Codieren der räumlichen Position und Identität von chemischen Moietäten in dem Array umfaßt.

27. Array gemäß Anspruch 26, bei dem die Einrichtung das Array bezüglich einer Datei identifiziert, die Informa tionen bezüglich der räumlichen Position und Identität trägt, oder bei der die Einrichtung die Datei umfaßt, die solche Informationen trägt.

28. Verfahren zum Bestimmen der Identität einer chemischen Moietät, die an ein Analyt an einer Position auf einem Array gemäß Anspruch 26 gebunden ist, wobei das Verfah ren folgenden Schritt umfaßt: Erfassen des Ortes des Analytes und Verbinden dieses Ortes mit der Datei.